[论文解读] A Joint Design for STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP Networks: A Simultaneous-Signal-Enhancement-and-Cancellation-based (SSECB) Design

Tianwei Hou, Jun Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于同时信号增强与波束成形（SSECB）的STAR-RIS辅助NOMA-CoMP网络设计，通过联合优化反射与透射波束成形，实现对小区间干扰的抑制并增强目标信号。仿真结果表明，当RIS元件数量充足时，小区间干扰可被完全消除，频谱效率显著优于传统的SEB与SCB设计。

ABSTRACT

In this correspondence, a novel simultaneous transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RISs) design is proposed in a non-orthogonal multiple access (NOMA) enhanced coordinated multi-point transmission (CoMP) network. Based on the insights of signal-enhancement-based (SEB) and signal-cancellation-based (SCB) designs, we propose a novel simultaneous-signal-enhancement-and-cancellation-based (SSECB) design, where the inter-cell interferences and desired signals can be simultaneously eliminated and boosted. Our simulation results demonstrate that: i) the inter-cell interference can be perfectly eliminated, and the desired signals can be enhanced simultaneously with the aid of a large number of RIS elements; ii) the proposed SSECB design is capable of outperforming the conventional SEB and SCB designs.

研究动机与目标

• 解决传统SEB与SCB RIS设计在NOMA-CoMP网络中性能受限的问题。
• 利用STAR-RIS实现信号增强与干扰消除的联合优化，以提升频谱效率与能量效率。
• 推导在强视 Line-of-Sight（LoS）条件下实现有效干扰消除所需的最小RIS元件数量。
• 将所提出的SSECB设计性能与现有SEB与SCB方案进行基准对比。
• 为未来6G网络中STAR-RIS提供一种实用的无源波束成形框架。

提出的方法

• 提出一种新颖的SSECB波束成形设计，利用STAR-RIS的透射与反射双模式，同时实现目标信号增强与小区间干扰消除。
• 基于路径损耗与信道增益参数，推导在强LoS条件下实现完美小区间干扰消除所需的最小RIS元件数量。
• 采用联合无源波束成形优化框架，通过控制RIS元件的反射与透射系数，实现干扰零陷与信号聚焦。
• 采用功率域NOMA进行用户复用，采用单天线BS与用户，以隔离波束成形效应与有源预编码的影响。
• 利用蒙特卡洛仿真分析性能，采用包含K因子与路径损耗指数的真实路径损耗与衰落参数。
• 在不同RIS元件数量与发射功率水平下验证设计，以评估速率性能与干扰抑制效果。

Figure 1: System model of the STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP networks.

实验结果

研究问题

• RQ1 在STAR-RIS增强的NOMA-CoMP网络中，实现完美小区间干扰消除所需的最小RIS元件数量是多少？
• RQ2 所提出的SSECB设计在可实现速率方面如何优于传统的SEB与SCB波束成形？
• RQ3 不同链路的路径损耗指数如何影响实现有效干扰消除所需的RIS元件数量？
• RQ4 RIS元件数量对所提设计在高信噪比（SNR）下可实现速率的高SNR斜率有何影响？
• RQ5 所提设计是否能在低信噪比与高信噪比两种场景下同时实现目标信号增强与小区间干扰抑制？

主要发现

• 实现完美小区间干扰消除所需的最小RIS元件数量随干扰链路路径损耗指数的增加而增加。
• 当L = 27个RIS元件时，系统在高SNR下的速率斜率为1，表明实现了完美干扰消除且无速率上限。
• 当RIS元件数量增至L = 54时，可实现速率性能进一步提升，证实了孔径增益增大的优势。
• 所提出的SSECB设计在所有SNR区间下均优于SEB与SCB设计，表现出更优的性能。
• 当RIS元件数量足够大时，由于瑞利衰落增益的随机性，实际中可实现完美干扰消除。
• 随着发射功率的增加，所提SSECB设计与无RIS基准方案之间的性能差距扩大，凸显了该设计的鲁棒性与可扩展性。

Figure 2: Minimal required number of RIS elements for the proposed SSECB design in the STAR-RIS enhanced NOMA-CoMP networks, where the small-scale channel gains are normalized to all one, and $\alpha_{3,c}=\alpha_{3,e}=\alpha_{3}$ for simplicity.